Volumenzunahme beim Auflösen von Zucker in Wasser: Erklärung und Experimente
Wenn du einen Zuckerwürfel in Wasser gibst, dann löst sich dieser vollständig auf und ist nicht mehr sichtbar. Eine Geschmacksprobe des Wassers würde dir zeigen (süßer Geschmack des Wassers), dass der Zucker in dem Wasser noch vorhanden ist. Das vollständige Auflösen des Zuckerwürfels in Experiment 1 zeigt dir, dass alle Stoffe aus kleinen Teilchen bestehen, die für das Auge nicht mehr sichtbar sind.
Mit dem Zuckerwürfel und dem Wasser haben wir zwei verschiedene Aggregatzustände. Der feste Zuckerwürfel (dem man auch eine regelmäßige Struktur ansehen kann), lässt sich so erklären, dass die Zuckerteilchen im Zuckerkristall nebeneinander und regelmäßig an einer bestimmten Position fest gebunden sind (der Stoff ist daher fest). Das Lösen des Zuckerwürfels in Wasser wird dadurch verursacht, dass die Wasserteilchen sich relativ frei bewegen. Dadurch drängen die Wasserteilchen nach und nach zwischen die Zuckerteilchen und „lösen“ diese aus dem Verband (des Kristalls) heraus.
Das Teilchenmodell als Basis zur Erklärung
Das einfache Teilchenmodell ist eine theoretische Darstellung von Materie, in der Materie als aus kleinsten Teilen, den sogenannten Teilchen, bestehend dargestellt wird. In einem festen Zustand sind die Teilchen eng zusammengepackt und vibrieren nur um ihre Lage. In einem flüssigen Zustand haben die Teilchen mehr Freiheit und können sich aneinander vorbei bewegen.
Das Teilchenmodell erklärt die Ausdehnung und Kompression von Materie durch die Bewegung und Anordnung der Teilchen. Mit Hilfe dieses einfachen Teilchenmodells kann man erklären, warum es zu einer Verringerung des Volumens kam.
Wie funktioniert die Lösung von Zucker im Wasser?
Der beschriebene Vorgang findet statt, weil die Wassermoleküle sogenannte „Wasserstoffbrücken“ mit den Zuckermolekülen bilden, wenn sie sich um sie herum anordnen. Die Brückenbildung beruht darauf, dass sich die Elektronen der Sauerstoffatome und der Kern (also das Proton) von Wasserstoffatomen anziehen.
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Das Lösen von Zucker in Wasser könnte man mit dem Zerstreuen einer Demonstration durch die Polizei vergleichen: Die Zuckermoleküle wollen wir uns dabei als Demonstranten, die Wassermoleküle als Polizisten vorstellen. Zuerst sind die beiden Gruppen von Demonstranten und Polizisten getrennt, doch wenn der Zucker ins Wasser hinzugefügt wird, treffen sie aufeinander. Nun versuchen jeweils mehrere Polizisten einen Demonstranten in die Mitte zu nehmen und ihn aus der Demonstrantengruppe zu lösen. Am Schluss ist jeder Demonstrant, also jedes Zuckermolekül, von mehreren Wassermolekülen umringt: Man erhält eine Zuckerlösung.
Volumenzunahme oder Volumenveränderung?
Wenn man Zucker in Wasser löst, entspricht das Gesamtvolumen fast dem des Wassers. Ist das wirklich so? Folgender Versuch: "10 mL" Zucker trocken vorgelegt, mit Wasser auf 40 mL aufgefüllt: Dafür habe ich rund 34 mL Wasser benötigt. Anschließend habe ich den Zucker vollständig gelöst, Endvolumen lag dann immer noch bei etwa 40 mL. Fazit: Deine Grundannahme ist so nicht richtig.
Eine wässrige Zuckerlösung enthält „weniger Wasser“ als reines Wasser.
Vergleich: Mischen von Flüssigkeiten
Experiment 2: Du nimmst 25 ml Spiritus (Ethanol) und 25 ml Wasser und schüttest diese beiden Flüssigkeiten zusammen. Misst du nun das Gesamtvolumen der so entstandenen Flüssigkeit, stellst du fest, dass diese „nur noch“ ein Volumen von ca. 48 ml hat. Die Teilchen der einzelnen Stoffe (Wasser und Spiritus) sind unterschiedlich groß. In den meisten Lehrbüchern findet sich hierzu der Vergleich mit einem Senfkorn und einer Erbse. Mischt man Erbsen und Senfkörner miteinander, so sieht man, dass die Senfkörner teilweise in die Hohlräume der Erbsen gelangen und so das Gesamtvolumen verringert wird. Genauso verhält es sich beim Mischen von Wasser und Ethanol.
| Stoff | Volumen vor Mischung | Volumen nach Mischung |
|---|---|---|
| Wasser | 25 ml | 48 ml (mit Ethanol) |
| Ethanol | 25 ml | 48 ml (mit Wasser) |
Temperatur und Löslichkeit
Hast du den Zuckerwürfel in warmen bzw. kalten Wasser gelöst, so ist dir sicher aufgefallen, dass sich der Zuckerwürfel in warmen Wasser schneller löst, als in kaltem Wasser. Dies liegt daran, dass die Teilchen eines Stoffes (auch im Zuckerkristall) in Bewegung sind. Die „Stärke“ dieser Bewegung hängt dabei von der Temperatur ab.
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Einerseits sind Moleküle bei höherer Temperatur aktiver und bewegen sich schneller. Darum geht der Vorgang des Lösens schneller vor sich. Andererseits lässt sich bei höherer Temperatur häufig mehr von dem Feststoff in der Flüssigkeit lösen, seine Löslichkeit steigt also. Dies ist jedoch von den verwendeten Stoffen abhängig.
Energetische Aspekte beim Auflösen
Beim Lösen wird die ursprüngliche Struktur des Feststoffs aufgebrochen, und die Moleküle gruppieren sich neu. Dabei verändert sich ihr Energiezustand: Es wird entweder etwas Energie in Form von Wärme frei, oder Wärme wird aufgenommen. Entsprechend verläuft der Lösungsvorgang entweder exotherm (es entsteht Wärme) oder endotherm (der Vorgang benötigt Wärme).
Wenn dem System aus Feststoff und Flüssigkeit Wärme von außen zugeführt wird, beschleunigt dies endotherme Reaktionen. Exotherme Reaktionen hingegen laufen nicht mehr ab, da das System im Gleichgewicht bleiben und nicht noch mehr heizen, sondern die Wärmezufuhr durch Abkühlung ausgleichen will.
Löslichkeit von Zucker und Salz
Von den meisten Stoffen ist die Löslichkeit in Wasser bekannt. Bei Kochsalz liegt diese bei 359 Gramm pro Liter (bei 20°C). Kristallzucker (Saccharose) löst sich mit 1970 Gramm pro Liter (bei 20°C) äusserst gut in Wasser. Wenn Salze wie z. B. Kochsalz aufgelöst werden, passiert etwas ganz Ähnliches. In Salzen sind die Ionen (negativ bzw. positiv geladene Atome) in einer charakteristischen geometrischen Struktur angeordnet, die stabil ist, da sich die Ionen in einem günstigen Energiezustand befinden. Man könnte sagen, sie "fühlen sich wohl" in dieser Struktur. Wenn das Salz gelöst wird, versuchen die Wassermoleküle wie beim Zucker, einzelne Teilchen aus der Struktur herauszulösen und zu umringen. Je nachdem, wie stark das Salzgitter ist und wie "glücklich" die Ionen darin sind, gelingt dies mehr oder weniger leicht. Kalk, ein Calciumsalz, hat eine starke Gitterstruktur, weshalb es schlecht löslich ist und darum den Wasserhahn verstopft.
Das Teilchenmodell: Grenzen und Nutzen
Das einfache Teilchenmodell hilft dir einige Beobachtungen der in den oben erwähnten Experimenten zu erklären. Dennoch ist dieses Modell sehr ungenau. So lässt sich z.B. nicht erklären, warum ein Stoff bei einer bestimmten Temperatur fest, flüssig oder gasförmig ist.
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Für die Praxis ist die Fragestellung eher nicht so interessant, da es auch Verdunstung gibt und Biomassenbildung und Abzug von der Hefe etc. pp.
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